Forskere designer kompakt højeffektlaser ved hjælp af plasmaoptik

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har designet en kompakt multi-petawatt-laser, der bruger plasmatransmissionsgitre til at overvinde effektbegrænsningerne ved konventionelle solid-state optiske gitre. Designet kunne muliggøre konstruktion af en ultrahurtig laser op til 1.000 gange kraftigere end eksisterende lasere af samme størrelse.

Petawatt (quadrillion-watt) lasere er afhængige af diffraktionsgitre til chirped-pulse amplification (CPA), en teknik til at strække, forstærke og derefter komprimere en højenergi-laserimpuls for at undgå at beskadige optiske komponenter. CPA, som vandt en Nobelpris i fysik i 2018, er kernen i National Ignition Facility's Advanced Radiographic Capability såvel som NIF's forgænger, Nova Laser, verdens første petawatt-laser.

Med en skadetærskel, der er flere størrelsesordener højere end konventionelle refleksionsgitre, giver plasmagitre os mulighed for at levere meget mere strøm til samme størrelse gitter, sagde tidligere LLNL postdoc Matthew Edwards, medforfatter af en Physical Review Applied papir, der beskriver det nye design, offentliggjort online den 9. august. Edwards fik følgeskab på papiret af Laser-Plasma Interactions Group Leader Pierre Michel.

"Glasfokuseringsoptik til kraftige lasere skal være stor for at undgå skade," sagde Edwards. "Laserenergien spredes ud for at holde den lokale intensitet lav. Fordi plasmaet modstår optisk skade bedre end et stykke glas, for eksempel, kan vi forestille os at bygge en laser, der producerer hundredvis eller tusindvis af gange så meget strøm som et nuværende system uden gør det system større."

LLNL, med 50 års erfaring i udvikling af højenergilasersystemer, har også været førende i lang tid inden for design og fremstilling af verdens største diffraktionsgitre, såsom guldgitre, der bruges til at producere 500 joule petawatt-impulser på Nova-laseren i 1990'erne. Stadig større gitre vil dog være påkrævet for næste generation af multi-petawatt og exawatt (1.000-petawatt) lasere for at overvinde grænserne for maksimal fluens (energitæthed), der pålægges af konventionel solid optik (se "Holografiske plasmalinser til ultrahøj -Strømlasere").

Edwards bemærkede, at optik lavet af plasma, en blanding af ioner og frie elektroner, er "velegnet til en laser med relativt høj gentagelseshastighed og høj gennemsnitlig effekt." Det nye design kunne for eksempel gøre det muligt at opstille et lasersystem, der i størrelse ligner L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) ved ELI Beamlines i Tjekkiet, men med 100 gange spidseffekten.

Designet og konstrueret af LLNL og leveret til ELI Beamlines i 2017, HAPLS blev designet til at producere 30 joule energi på en 30-femtosekund (kvadrilliontedel af et sekund) pulsvarighed, hvilket er lig med en petawatt, og gøre det ved 10 Hertz ( 10 pulser i sekundet).

"Hvis du forestiller dig at prøve at bygge HAPLS med 100 gange den maksimale effekt ved samme gentagelseshastighed, er det den slags system, hvor dette ville være bedst egnet," sagde Edwards, nu assisterende professor i maskinteknik ved Stanford University.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Udforsk yderligere

Researchers design holographic lenses based on plasma